CN107937789B - 一种锰钢基钢结硬质合金及其制备方法 - Google Patents

一种锰钢基钢结硬质合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锰钢基钢结硬质合金，包括质量百分比为45％‑55％的TiC硬质相和质量百分比为55％‑45％的粘结相，所述粘结相包括化学成分质量百分比为8.0‑10.0％的Mn、2.5‑3.5％的Ni、0.6‑2.0％的Mo、0.5‑1.5％的C、0.2‑0.8％的Cr，余量为铁和不可避免的杂质。一种锰钢基钢结硬质合金的制备方法包括：1)配料；2)湿磨，湿磨时加入10‑50％的柱状研磨体；3)烧结，在1370‑1390℃下，保温40‑60min，随炉冷却到室温；4)热处理，加热到1050‑1100℃，保温1‑5小时，然后水冷。制备的钢结硬质合金的抗弯强度≥2100MPa，硬度为64‑66HRC，室温冲击韧性为12‑14J/cm2，烧结密度为理论密度的98％以上，相对耐磨性为11.52‑15.34。

Description

一种锰钢基钢结硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明属于钢结硬质合金及其制备方法的技术领域，尤其涉及一种锰钢基钢结硬质合金及其制备方法。
背景技术
钢结硬质合金是以钢为粘结相，以难熔金属碳化物(主要是以碳化钛、碳化钨)作为硬质相，用粉末冶金方法制备的一种组合材料。钢结硬质合金的主要性能介于钢与硬质合金之间，它兼有两种材料的特点和长处，是填补它们之间空白的一种新兴工程材料。钢结硬质合金与钢材相比具有无法比拟的高硬度、高耐磨性和淬透性，同时具有与钢材相近的机械加工、热处理和焊接性能。
钢结硬质合金具有良好的物理机械性能，在硬化状态下具有很高的硬度，其耐磨性与高钴硬质合金相当，甚至更高，材料强度和耐冲击性较一般硬质合金高。这是由于它含有较高的硬质相，同时呈圆形的硬质相晶粒在工作时与工件表面形成滚动摩擦，使其具有高耐磨性和较小的破坏性。钢结硬质合金还具有较小的比重，较高的比强度、良好的自润滑性、高阻尼特性与固有的频率。钢结硬质合金还具有优异的化学稳定性，具有一定的耐高温、抗氧化和抗腐蚀性能，其抗腐蚀性主要取决于粘结相的成分。钢结硬质合金综合了钢和硬质合金的特点，构成了自己独特的综合性能优势，这种优异的综合性能，使的它在工模具材料、耐磨及减震零件、耐高温及耐腐蚀构件、冲击及破碎工具、刃具、量卡具等测量仪器，以及国防军工材料、航海、航空航天材料等对材料比重和综合性能有特殊要求的领域有着广阔的应用前景。
现有技术制备钢结硬质合金时湿磨多是采用球形的研磨体进行研磨，为了提高球磨的效果，减小粉末颗粒的尺寸，需要采用较长的研磨时间，工作效率较低。如果球磨后的颗粒尺寸较大就需要在较高的温度或较长的时间下烧结，导致硬质相长大，降低烧结材料的力学性能。并且硬质颗粒与粘接相之间的润湿性很差，导致烧结材料的力学性能和耐磨性能较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种锰钢基钢结硬质合金及其制备方法，解决现有技术中粉末湿磨时研磨效率低、硬质颗粒与粘结相润湿性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种锰钢基钢结硬质合金，包括质量百分比为45％-55％的TiC硬质相和质量百分比为55％-45％的粘结相，所述粘结相包括化学成分质量百分比为8.0-10.0％的Mn、2.5-3.5％的Ni、0.6-2.0％的Mo、0.5-1.5％的C、0.2-0.8％的Cr，余量为铁和不可避免的杂质。
优选的，所述TiC硬质相的质量百分比为50％，所述粘结相各化学成分质量百分比Mn：9.0％、Ni：3.0％、Mo：1.0％、C：1.0％、Cr：0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。
优选的，所述TiC粉末尺寸为3.0-3.5μm。
优选的，所述粘结相中镍粉的颗粒尺寸为6-8μm，所述粘结相中其他粉末颗粒尺寸为10-15μm。
优选的，所述粘结相体系中碳锰比为1∶8-14。
一种上述锰钢基钢结硬质合金的制备方法，包括以下具体步骤：
1)配料，根据配比成分或换算后的成分称取碳化钛粉、锰铁粉、镍粉、钼粉、石墨粉、碳化铬粉和铁粉；
2)湿磨，经步骤1)称量好的硬质相碳化钛粉末和粘结相粉末进行混合，将混合好的粉末放入球磨机中进行湿磨，球磨介质为酒精，球料比为4-5∶1，球磨时间为12-36小时，球磨时磨料中加入10-50％的柱状研磨体；
3)烧结，将经过步骤2)处理过的球磨料经过搀胶、造粒、过筛、压制成所需尺寸形状的产品，然后进行真空烧结，烧结的温度为1370-1390℃，保温时间为40-60min，随炉冷却到室温；
4)热处理，经过步骤3)处理后的钢结硬质合金加热到1050-1100℃，保温1-5小时，然后水冷得到最终产品。
优选的，所述步骤2)中，柱状研磨体的含量优选为20-30％，所述柱状研磨体的尺寸为φ10×14mm。
采用上述制备方法生产的钢结硬质合金的抗弯强度≥2100MPa，硬度为64-66HRC，室温冲击韧性为12-14J/cm2，烧结密度为理论密度的98％以上。
对采用上述制备方法生产的钢结硬质合金进行摩擦磨损试验，施加压力为200N，摩擦介质为200目的石英砂，滑动距离为3000m，得到最终试样的减重为0.0032-0.0056g，相对耐磨性为11.52-15.34。
与现有技术相比，本发明在钢结硬质合金中加入能够改善硬质相与粘结相润湿性的钼元素，钼的加入可使TiC颗粒表面生成一成(Ti，Mo)C固溶体，使界面化学键结合力增强，界面结合能增大，改善硬质相与粘结相之间的润湿性。另外，在湿磨过程中加入柱状的研磨体，由于柱状研磨体的自身形状的原因，添加一定量的柱状研磨体可以提高粉末的研磨效率，降低粉末的尺寸大小，湿磨后的混合料的平均粒度为2.11-3.26μm，碳化钛粉末的平均粒度为0.63-1.12μm。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例一
一种锰钢基钢结硬质合金，包括质量百分比为45％-55％的TiC硬质相和质量百分比为55％-45％的粘结相，所述粘结相包括化学成分质量百分比为8.0-10.0％的Mn、2.5-3.5％的Ni、0.6-2.0％的Mo、0.5-1.5％的C、0.2-0.8％的Cr，余量为铁和不可避免的杂质。TiC粉末尺寸为3.0-3.5μm；粘结相中镍粉的颗粒尺寸为6-8μm，粘结相中其他粉末颗粒尺寸为10-15μm。粘结相体系中碳锰比为1∶8-14，使作为粘结相的合金钢为中锰钢或高锰钢，使其具有较好的冲击性能，适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况。
Mo可以改善硬质相与粘结相之间的润湿性，Mo可使TiC颗粒表面生成一层(Ti，Mo)C固溶体，使界面化学键结合力增强，界面结合能增大，改善润湿性。当Mo含量较少时，不足以在硬质相颗粒表面形成完整的一层包覆层，导致硬质相和粘结相的润湿性差，孔隙率低，致密度低。随着Mo含量的增大，烧结时能够在硬质相颗粒表面均匀形成一层(Ti，Mo)C固溶体层，改善了粘结相与硬质相之间的润湿性，使烧结材料孔隙率降低，致密度提高。而随着Mo含量的进一步增大硬质相颗粒表面的(Ti，Mo)C固溶体层厚度增大，烧结时溶解-析出迅速而激烈，导致硬质相颗粒过分长大，而后烧结动力急剧降低，导致孔隙率增大和致密度降低。因此将Mo的添加量控制在0.6-2.0％，优选为0.8-1.5％。
一种上述锰钢基钢结硬质合金的制备方法，包括以下具体步骤：
1)配料，根据配比成分或换算后的成分称取碳化钛粉、锰铁粉、镍粉、钼粉、石墨粉、碳化铬粉和铁粉。
2)湿磨，经步骤1)称量好的硬质相碳化钛粉末和粘结相粉末进行混合，将混合好的粉末放入球磨机中进行湿磨。球磨介质为酒精，球料比为4-5∶1，球磨时间为12-36小时，球磨时磨料中加入10-50％的柱状研磨体，柱状研磨体的含量优选为15-35％，尺寸为φ10×14mm。湿磨机滚筒的转速为42r/min。
球磨时间的长短对材料的力学性能有着显著的影响，随着球磨时间的延长、粉末的粒度逐渐细化，TiC颗粒逐渐圆化，颗粒分布均匀，烧结材料的密度、力学性能和耐磨性得到提高。粘结相体系中的纯钼粉逐渐消失，向TiC颗粒表面扩散形成固溶体，增加了TiC与粘结相体系的润湿性，从而提高材料的性能。球磨时间太长，TiC颗粒尺寸非常小，表面活性大，容易引起TiC颗粒的聚集，导致烧结材料中硬质颗粒的″桥接″，变相的增加TiC颗粒的尺寸，从而影响材料的使用性能。
在湿磨的研磨体中加入一定量的柱状研磨体，因柱状研磨体自身形状的因素，添加一定量的柱状研磨体可以提高粉末的研磨效率，降低粉末的尺寸大小。柱状研磨体的添加量要控制在一定范围内，否则球状和柱状研磨体之间相互干扰，会降低球磨效率。湿磨后的混合料的平均粒度为2.11-3.26μm，碳化钛粉末的平均粒度为0.63-1.12μm。
3)烧结，将经过步骤2)处理过的球磨料经过搀胶、造粒、过筛、压制成所需尺寸形状的产品，然后进行真空烧结，烧结的温度为1370-1390℃，保温时间为40-60min，随炉冷却到室温。
4)热处理，经过步骤3)处理后的钢结硬质合金加热到1050-1100℃，保温1-5小时，然后水冷得到最终产品。
按照检测标准要求将烧结材料加工成标准的抗弯强度和冲击韧性试样，抗弯强度试样的基本尺寸是5mm×5mm×35mm，冲击韧性试样的基本尺寸是10mm×10mm×55mm，试样表面均要进行磨削和抛光，表面粗糙度要满足标准规定要求。检测钢结硬质合金的抗弯强度≥2100MPa，硬度为64-66HRC，室温冲击韧性为12-14J/cm2。采用阿基米德方法测量烧结材料的密度，烧结密度为理论密度的98％以上。
烧结材料的摩擦磨损性能测试采用M-2000A摩擦磨损试验机进行，试样尺寸为31.5＊6.5＊5.0mm3，试样表面经过磨削、抛光后，表面粗糙度值Ra0.2。试验机转速400r/min，施加压力200N，对偶摩擦件为45钢，洛式硬度为HRC50～52，表面粗糙度不大于Ra0.2，试验滑动距离3000m，研磨介质为200目石英砂。最终对偶件的减重为0.0516-0.0731g，试样的减重为0.0034-0.0056g，相对耐磨性为11.52-15.34。
实施例二
一种锰钢基钢结硬质合金，包括质量百分比为50％的TiC硬质相和质量百分比为50％的粘结相，所述粘结相包括化学成分质量百分比为9.0％的Mn、3.0％的Ni、1.0％的Mo、1.0％的C、0.5％的Cr，余量为铁和不可避免的杂质。TiC粉末尺寸为3.3μm；粘结相中镍粉的颗粒尺寸为7μm，粘结相中其他粉末颗粒尺寸为12μm。粘结相体系中碳锰比为1∶9，使作为粘结相的合金钢为中锰钢，在较低的冲击载荷下就可以在表面形成硬化层，当表层的硬化层磨损后会形成新的硬化层，材料表面的硬化层常用常新，耐磨性能好，材料的心部仍然保持较好的韧性。
采用颗粒尺寸较小的钼粉，可以保证Mo元素在合金中均匀分布，使每个硬质相晶粒表面都形成薄的一层(Ti，Mo)C固溶体层，改善硬质相和粘结相的润湿性，又不至于增加材料的脆性，使烧结合金的性能得到保证。
一种上述锰钢基钢结硬质合金的制备方法，包括以下具体步骤：
1)配料，根据配比成分或换算后的成分称取碳化钛粉、锰铁粉、镍粉、钼粉、石墨粉、碳化铬粉和铁粉。
2)湿磨，经步骤1)称量好的硬质相碳化钛粉末和粘结相粉末进行混合，将混合好的粉末放入球磨机中进行湿磨。球磨介质为酒精，球料比为4.5∶1，球磨时间为24小时，球磨时磨料中加入30％的柱状研磨体，柱状研磨体的尺寸为φ10×14mm。湿磨后的混合料的平均粒度为2.34μm，碳化钛粉末的平均粒度为0.72μm。
3)烧结，将经过步骤2)处理过的球磨料经过搀胶、造粒、过筛、压制成所需尺寸形状的产品，然后进行真空烧结，烧结的温度为1390℃，保温时间为50min，随炉冷却到室温。
4)热处理，经过步骤3)处理后的钢结硬质合金加热到1080℃，保温2小时，然后水冷得到最终产品。
按照检测标准要求将烧结材料加工成标准的抗弯强度和冲击韧性试样，抗弯强度试样的基本尺寸是5mm×5mm×35mm，冲击韧性试样的基本尺寸是10mm×10mm×55mm，试样表面均要进行磨削和抛光，表面粗糙度要满足标准规定要求。检测钢结硬质合金的抗弯强度为2627MPa，硬度为66.3HRC，室温冲击韧性为14J/cm2。采用阿基米德方法测量烧结材料的密度，烧结密度为理论密度的98.82％。
烧结材料的摩擦磨损性能测试采用M-2000A摩擦磨损试验机进行，试样尺寸为31.5＊6.5＊5.0mm3，试样表面经过磨削、抛光后，表面粗糙度值Ra0.2。试验机转速400r/min，施加压力200N，对偶摩擦件为45钢，洛式硬度为HRC50～52，表面粗糙度不大于Ra0.2，试验滑动距离3000m，研磨介质为200目石英砂。最终对偶件的减重为0.0542g，试样的减重为0.0036g，相对耐磨性为15.06。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种锰钢基钢结硬质合金，其特征在于：该锰钢基钢结硬质合金由质量百分比为45％-55％的TiC硬质相和质量百分比为55％-45％的粘结相组成，所述粘结相的化学成分的质量百分比为8.0-10.0％的Mn、2.5-3.5％的Ni、0.6-2.0％的Mo、0.5-1.5％的C、0.2-0.8％的Cr，余量为铁和不可避免的杂质；
制备方法包括以下具体步骤：
1)配料，根据配比成分或换算后的成分称取碳化钛粉、锰铁粉、镍粉、钼粉、石墨粉、碳化铬粉和铁粉；
2)湿磨，经步骤1)称量好的硬质相碳化钛粉末和粘结相粉末进行混合，将混合好的粉末放入球磨机中进行湿磨，球磨介质为酒精，球料比为4-5∶1，球磨时间为12-36小时，球磨时磨料中加入10-50％的柱状研磨体；
3)烧结，将经过步骤2)处理过的球磨料经过搀胶、造粒、过筛、压制成所需尺寸形状的产品，然后进行真空烧结，烧结的温度为1370-1390℃，保温时间为40-60min，随炉冷却到室温；
4)热处理，经过步骤3)处理后的钢结硬质合金加热到1050-1100℃，保温1-5小时，然后水冷得到最终产品；
所述TiC粉末的尺寸为3.0-3.5μm；
所述粘结相中镍粉的颗粒尺寸为6-8μm，所述粘结相中其他粉末的颗粒尺寸为10-15μm；
所述粘结相体系中碳锰比为1∶8-14；
所述步骤2)中，所述柱状研磨体的尺寸为φ10×14mm。
2.根据权利要求1所述的一种锰钢基钢结硬质合金，其特征在于：所述TiC硬质相的质量百分比为50％，所述粘结相的质量百分比为50％，所述粘结相各化学成分质量百分比为Mn：9.0％、Ni：3.0％、Mo：1.0％、C：1.0％、Cr：0.5％，余量为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种锰钢基钢结硬质合金，其特征在于：制备的钢结硬质合金的抗弯强度≥2100MPa，硬度为64-66HRC，室温冲击韧性为12-14J/cm2，烧结密度为理论密度的98％以上。
4.根据权利要求1所述的一种锰钢基钢结硬质合金，其特征在于：对制备出的钢结硬质合金进行摩擦磨损试验，施加压力为200N，摩擦介质为200目的石英砂，滑动距离为3000m，得到最终试样的减重为0.0032-0.0056g，相对耐磨性为11.52-15.34。
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